“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲 航天员用水珠打“乒乓”
转自：千龙网
9月21日，在北京航空航天大学，学生收看“天宫课堂”第四课奇妙“乒乓球”实验。A06-A07版摄影/新华社记者鞠焕宗（除署名外）
9月21日，“天宫课堂”第四课开讲，航天员景海鹏（中）、朱杨柱、桂海潮（左）进行太空科普授课。
9月21日，“天宫课堂”第四课进行动量守恒实验。
“有些实验在太空里操作呈现的效果确实比地面好很多，有种导师在太空给我们补课的感觉。”9月21日下午，“天宫课堂”第四课在中国空间站开讲，被称作“博士乘组”的神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮面向全国青少年进行太空科普授课，这是中国航天员首次在梦天实验舱内进行授课。“飞天导师”桂海潮的博士生、北京航空航天大学宇航学院博士研究生王世杰在课后感叹道。
本次天宫课堂在北京、内蒙古、浙江、安徽、陕西设置5个地面课堂，北京地面课堂地点设置在北京航空航天大学体育馆内，来自北京市大中小学2400余名学生代表共同观看并和航天员们进行天地互动交流。
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航天员讲解“太空炼丹炉”等装置
“欢迎全国各地的同学们！”当日15时48分，“天宫课堂”开课。当三位导师在大屏幕上介绍完全国的五个课堂时，北航体育馆内响起了一阵欢呼，其他地面课堂同学们的欢呼声也通过视频传进了北京课堂。“天宫课堂”第四讲由朱杨柱和桂海潮出镜主讲，航天员们首先在轨展示中国空间站梦天实验舱工作生活场景，“太空炼丹炉”“世界上最冷的地方”……朱杨柱和桂海潮使用了很多便于学生理解的词汇解释各种装置的原理。
在太空的微重力条件下做实验，是学生们最喜欢的环节，也是现场笑声最多的环节。本次课堂上，3名航天员在轨演示了球形火焰实验、奇妙“乒乓球”实验、动量守恒实验以及又见陀螺实验，并与地面课堂进行互动交流。
其中，为讲述棉织物的疏水工艺，朱杨柱和桂海潮将擦汗毛巾裹在球拍上，将小水珠当成乒乓球，水珠并没有被织物吸附，而是在两个球拍间飞舞。两位航天员用水珠“打乒乓”引得学生们笑声不断，在解释完背后的原理后，朱杨柱把“乒乓球”一口吞掉，现场又是笑声一片。
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航天员桂海潮的学生观看“天宫课堂”
对于北航的大学生来说，这次课堂更加特殊，因为桂海潮是北京航空航天大学教授、博士生导师，也是我国首个非军人出身的航天员。现场，除了中小学生外，来自北航各个院系的大学生代表也一同观看了“天宫课堂”，其中也有不少桂海潮的学生。
“以前也看过天宫课堂的一些实验，感觉这次实验的科学性更强了，有些实验还是很吸引我的，尤其陀螺实验内涵特别丰富，和我们的专业联系很紧密，都与航天器动力学与控制相关。”现场，王世杰观看得特别仔细，他也向新京报记者解释了天地实验所呈现的不同现象和其背后的科学原理。
比如“控制力矩陀螺”这一实验在地面上也有很多人做过，系借助高速旋转的轮胎带动人体转动，“地面实验效果不太明显，而在太空，轮子仅仅倾斜了一点儿，桂海潮老师身体幅度的改变就很大，太空确实是一个科学实验的好场景。”
“以往的天宫课堂主要受众为中小学生群体，此次地面课堂设在北航，考虑到要覆盖大学生群体，因此课表中设计了陀螺实验，角动量定律是北航飞行器设计专业的高年级本科生，甚至研究生都需要学习的内容。”北京地面课堂教师、北京航空航天大学宇航学院副教授张晓天说道。
他回忆，这段时间和桂海潮有过几次简短的对话，可能只是听听彼此的声音，但天地之间跨越400公里的距离能够对话，就已经让他很高兴了，“特别是看到桂老师依旧生龙活虎，我们作为同事非常欣慰。”
■ 提问
北京
怎样判断空间站姿态和轨道变化？
在北京地面课堂，来自北京航空航天大学宇航学院的学生提了一个问题：空间站在太空中飞行，周围没有明显的参照物，航天员该怎样判断空间站的姿态和轨道变化？桂海潮表示，空间站上安装有特殊的敏感器，包括地球敏感器、太阳敏感器、星敏感器等，它们就像一双双敏锐的“眼睛”，帮助空间站确定姿态。同时，我国的北斗卫星定位系统也能为空间站“指路”，空间站也安装了北斗定位设备，用于确定当前的轨道位置。“我们不仅能知道空间站现在在哪儿，还能预报出它接下来要飞到哪儿。”桂海潮回答该学生，空间站在太空中的飞行有特定规律，可以用轨道力学的方法进行计算，航天员只需打开仪表，空间站的所有信息就一目了然。
陕西
怎样克服失重环境对人体不利影响？
一名陕西地面课堂的孩子问，“航天员在太空中，怎样克服失重环境对人体的不利影响？”朱杨柱解答道，科研人员为航天员精心设计了企鹅服、套袋等各种防护措施，同时，航天员每天都要进行体育锻炼，大到太空跑台、太空自行车、抗阻锻炼设施，小到握力器、拉力器等，都可以帮助他们有效防止肌萎缩和骨丢失。此外，一些小巧便捷的装备，如骨丢失对抗仪，都可以有效对抗失重带来的不利影响。景海鹏也进一步解释，目前这些防护措施非常有效，不仅保障了航天员的身心健康，也保障了航天员高效工作。
安徽
高精度时频实验柜超高精度有多高？
安徽地面课堂的学生提问，高精度时频实验柜超高精度究竟有多高，又有什么具体用途呢？桂海潮说，目前，地面的原子钟可以做到千万年误差不超过1秒。而空间站内的冷原子微波钟目前做到了1亿年误差不超过1秒。这种超高精度的时间基准，既能用于基础物理的研究，如支撑相对论等相关理论的高精度检验，也可为卫星提高定位精度及其他性能。
浙江
在空间站看地球、看太阳有什么变化？
浙江地面课堂学生提问，与地面上看到的太阳和与飞机上看到的地球相比，在空间站看地球、看太阳有什么区别？朱杨柱说，在空间站看太阳要格外注意，“没有了大气层的遮挡和衰减，阳光会变得特别强烈、耀眼。”他告诉地面的学生们，出舱活动时，航天员在阳照区必须使用特殊的防护面窗。在空间站，航天员一天可以看到16次日出日落。
内蒙古
空间站有何防护措施应对太空垃圾？
内蒙古地面课堂的学生提问，你们能看到太空垃圾吗？空间站有没有采取相应的防护措施？景海鹏说：“到目前为止，我们还没有发现太空垃圾的踪影。空间站安装了一些特殊的防护装备，仿佛是穿上了铠甲，即使碰到空间碎片也会安然无恙。” 新京报记者 张建林
■ 解读
北大物理学院教授解读“天宫课堂”第四课知识点
9月21日下午，“天宫课堂”第四课正式开讲。在约48分钟内，神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮在轨面向全国青少年进行太空科普授课。三人配合演示了球形火焰、奇妙“乒乓球”、动量守恒以及又见陀螺四个实验。
四个实验反映了哪些物理原理，这背后都有哪些知识点？此次太空授课活动取得圆满成功后，新京报记者采访了北京大学物理学院党委副书记、教授穆良柱。新京报记者 张建林
【实验1 球形火焰】
与地面不同 空间站中蜡烛火焰近似球形
在梦天实验舱内，朱杨柱取出蜡烛，桂海潮划燃火柴点燃了它。与地面课堂老师点燃的蜡烛相比，空间站中燃烧的蜡烛火焰呈现蓝色，形状近似球形。
穆良柱告诉新京报记者，在地球表面附近，点燃蜡烛可以看到持续燃烧的泪滴状明亮火焰。能够燃烧是因为石蜡受热汽化后和空气中的氧气混合燃烧。
而之所以能持续，是因为在地表重力环境下，燃烧的火焰以及周边被加热的空气热膨胀后密度变小，形成上升气流，就像热气球上升一样，这样周边的空气就会从火焰底端流入补充，整体形成对流，所以氧气就能源源不断地输入，形成持续的燃烧。
他进一步解释，在微重力环境下，蜡烛燃烧时无法形成空气的对流，所以燃烧后的火焰只能向四周扩散形成球形火焰，就像吹气球一样。这种情况下氧气只能通过扩散从火焰外部进入内部，不能充分地补充到石蜡蒸汽中，所以燃烧程度较低，燃烧过程变得缓慢，燃烧产物也会发生变化，火焰温度低，看起来暗淡，颜色偏蓝。在太空站实验里看到的正是这样的现象。“微重力环境燃烧的研究给了我们一个新的方法来控制燃烧过程”穆良柱说。
【实验2 奇妙“乒乓球”】
在实验舱内水球被毛巾包好的球拍弹开
课上，朱杨柱用水袋做了一颗水球。桂海潮取出一块普通的乒乓球拍，水球击打球拍后，水球粘在球拍表面上。而水球击打在毛巾包好的球拍上，水球被弹开了。
穆良柱介绍，水球的形成是因为水的表面与内部性质不同，表面水分子数密度比内部的小，水分子之间有明显的相互吸引力，像是一层绷紧的膜，由于这层膜的收缩，会导致固定体积的情况下水的表面积要尽量小，没有重力影响时就形成了球形，像是装满了水的气球，有重力时，会挤压水球形成圆饼形，类似荷叶表面的水滴。毛巾的疏水表面类似于荷叶表面，水与其接触时可以轻松滑落，而不会粘在上面，疏水表面一般也是通过模仿荷叶表面的微纳结构来制备的。这样我们就能理解疏水表面轻轻击打水球时，就像击打一个装满了水的气球一样，水球会变形被弹开，之后再恢复成球形。
【实验3 动量守恒】
钢球碰撞体现牛顿第二定律
梦天气闸舱舱门贴了一张标准网格布，在网格布前，桂海潮用手中钢球，对准一个静止的钢球，抛了出去。碰撞后，钢球的轨迹发生了变化。
穆良柱称，微重力环境下，两个不同质量钢球碰撞前后各自的动量发生变化，但碰撞前总的动量和碰撞后总的动量是不变的。
钢球的动量一般定义为质量乘以速度，这是用来描述钢球平动状态的物理量，想要改变其动量，需要施加力的作用，这就是牛顿第二定律所描述的规律。对于两个钢球，如果将其视为一个整体，总的动量就描述了整体的平动状态，想要改变总动量，两个小球受到的总力就不能为零。
微重力环境下，两个钢球相互碰撞时，每个钢球都受到另一个钢球的撞击，所以各自的动量都发生了变化，也就是平动状态发生了变化，碰撞后每个钢球受力又几乎为零，所以保持碰撞后的动量不变，也就是保持碰撞后的平动状态。
【实验4 又见陀螺】
桂海潮借助陀螺再现“太空转身”
在此次太空授课中，桂海潮利用金属陀螺展示静止及旋转情况下的角动量守恒现象，再现“太空转身”。
记者注意到，这个陀螺可以纵向旋转，飘在空中的桂海潮先握住静止陀螺的两侧握柄，在一系列动作后，身体姿态并没有变化。而当朱杨柱让陀螺快速转动起来后，再做出同样动作的桂海潮，身体明显发生了转动。
穆良柱解释，物体的运动除了有平动之外，还可以转动，由于转动和角度有关，所以一般用角动量来描述物体的转动状态，角动量的改变需要力矩，没有力矩时角动量保持守恒，也就是转动状态保持不变。当陀螺快速转动时就有了角动量，这时尽管人没有转动，但人和陀螺的总角动量不为零。微重力环境下，桂海潮做各种动作时，人和陀螺整体所受的力矩仍然为零，所以总角动量仍然不变。而陀螺受到的力矩不为零，所以陀螺的角动量发生了变化，也就是转动状态发生了变化。但由于整体的角动量保持不变，所以人的角动量必然要发生变化，也就是人要转动。